《理解LTE中的基本概念LTE是3G时代向后发展的其中一个方向作为》由会员分享，可在线阅读，更多相关《理解LTE中的基本概念LTE是3G时代向后发展的其中一个方向作为（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、.word格式,理解LTE中的基本概念LTE是3G时代向后发展的其中一个方向，作為3GPP标準，它能提供50Mbps的上行（uplink）速度以及100Mbps的下行（downlink）速度。LTE在很多方面对蜂窝网路做了提升，比如，资料传输带宽可设定在1.25MHz到20MHz的范围，这点很适合拥有不同带宽资源的运营商（关於运营商的定义，国外将Carrier表示签发SIM卡的机构，而Operator则表示对SIM卡提供服务的机构，这裡统称為运营商），并且它允许运营商根据所拥有的频谱资源提供不同的服务。再比如，LTE提升了3G网路的频谱效率，运营商可以在同样的带宽范围内提供更多的资料和更高品质
2、的语音服务。虽然目前LTE的规范还没有最终定案，但以目前LTE的发展形式可以预料未来十年LTE将能够满足高速资料传输、多媒体服务以及高容量语音服务的需求。 LTE所採用的物理层（PHY）採用了特定的技术在增强型基站（eNodeB）和移动设备（UE）之间进行资料与控制信号的传输。这些技术有些对於蜂窝网路来说是全新的，包括正交频分复用技术（OFDM）、多输入多输出技术（MIMO）。另外，LTE的物理层还针对下行连接使用了正交频分多址技术（OFDMA），对上行连接使用了单载波频分多址技术（SC-FDMA）。在符号週期（symbol period）不变的情况下，OFDMA按照subcarrier-by
3、-subcarrier的方式将资料直接发送到多个用户，或者从多个用户接收资料。理解这些技术将有助於认识LTE的物理层，本文将对这些技术进行叙述，要说明的是，虽然LTE规范分别就上行和下行连接两个方面描述频分双工FDD和时分双工TDD，但实际多採用FDD。 在进入正文之前，还要瞭解的一点是，信号在无线传输的过程中会因為多路径传输（multipath）而產生失真。简单的说，在发射端和接收端之间存在一个瞄準线（line-of-sight）路径，信号在这个路径上能最快的进行传输，而由於信号在建筑物、汽车或者其他障碍物会產生反射，从而使得信号有许多传输路径，见图1。一、单载波调制和通道均衡（channe
4、l equalization） 时至今日，蜂窝网路几乎无一例外的採用单载波调制方式。虽然LTE更倾向於使用OFDM，而不是单载波调制，但是简单的讨论一下基於单载波的系统是怎样处理多径干扰（既由多路径传输引起的信号失真）是有帮助的，因為它可以作為参考点与OFDM系统进行比较。 时延扩展（delay spread）表示信号从发射端从不同的路径传送到接收端的延迟时间，在蜂窝网路中，时延扩展大约為几微秒。这种延迟会引起最大问题是，通过延迟路径到达接收端的符号（symbol）会对随后的符号造成干扰，图2描述了这种情况，它通常被称為码间干扰，即图中的ISI。在典型的单载波系统裡，符号时间（symbol t
5、ime）随着传输率的增加而降低，传输率非常高的时候，相应的符号週期（symbol period）更短，很可能会发生ISI大於符号週期的情况，这种情况甚至可能会影响到随后的第二个、第叁个符号。在频域（frequency domain）对多径干扰（multipath distortion）进行分析是很重要的。不同的传输路径和反射程度，都将引起不同的相位偏移（phase shift）。当所有经过不同路径达到接收端的信号合併以后，通频带（passband）的频率将会受到相长干扰（constructive interference），即同相位（in-phase）信号的线性合併，其他频率则受到相消干涉（d
6、estructive interference），类似的，这个过程可以看成是反位元相（out-of-phase）信号的线性合併。合併信号由於选频电路的衰减而產生失真，见图3。图3. 时延扩展（delay spread）过长将会导致频选衰减（即图中的feed fades）。 单载波系统通过时域的均衡来补偿通道的失真，这是它本身所具备的优点，这裡不做详细叙述。如果要在时域做均衡以补偿多径干扰，可以通过以下两个方法来实现： （1）通道反转（channel inversion）。在发送资料之前，优先发送一个特殊的序列，因為原始资料只有在接收端才能被识别，通道均衡器能够决定通道是否回应这个原始资料，而且
7、它能通过反转通道来增加对资料的承载能力，以此来抑制多径干扰的问题。 （2）CDMA系统可以採用梳状（rake）均衡器来处理特定的路径，然后按时间错位的顺序来合併数位信号，通过这样来提升接收信号的信噪比（SNR）。 在另一方面，随着资料率的增加，通道均衡器的实现方法也随之变得复杂。符号时间也变得更短，这时候，接收端的採样时鐘必须相应的更快。ISI将变得更加严峻，甚至在某些极端情况它可能会超出几个字元週期。图4. 基於横向滤波（transversal filter）的通道均衡器 图4给出了一个普通的均衡器电路结构，随着接收端採样时鐘的降低，需要更多採样来补偿时延扩展。根据自适应演算法（adapti
8、ve algorithm）的复杂程度和处理速度，delay tap的数量会随之增加。对於100Mbps的LTE资料传输率以及将近17s的时延扩展来说，这种通道均衡的方案就显得不切实际。下面我们将讨论的是，OFDM是怎样在时域内消除ISI的，这将显着的简化通道补偿的任务。 二、正交频分复用技术（OFDM） OFDM通信系统并不受符号率（symbol rate）增加的影响，这样有助於提升资料传输率以及控制ISI。OFDM系统将频带分為许多子载波（sub-carriers），并且将资料以平行束（parallel stream）的方式进行发射。每一个子载波都进行不同程度的QAM调制，例如QPSK、QA
9、M、64QAM，甚至是更高阶的调制，这根据信号品质的要求来决定。所以，OFDM符号其实是瞬态信号（instantaneous signal）在每个子载波上的线性合併。另外，由於信号是并行发射，而不是串列的传输，因此在同等的资料传输率下，OFDM所使用的符号（symbol）通常比单载波系统中的符号长。 OFDM具有两个很明显的特徵：第一，每一个符号的前端都有一个循环首码（cyclic prefix，即CP），这个首码用於消除ISI；第二，子载波的间隔非常窄以增加带宽的利用效率，而且相邻的子载波之间并不存在载波间干扰（ICI）。 同样的，分析信号在时域和频域的特徵将有助於理解OFDM是怎样处理多径
10、干扰的。為了理解OFDM是怎样处理由多路径传输引起的ISI，下面将首先分析OFDM符号在时域的表现。通常OFDM符号包括两部分：CP和TFFT，CP的持续时间由时延扩展的预处理程度决定。当信号经由两个不同的路径传输到接收端的时候，它们在时间上将按照图5进行交叉错列的分佈图5. OFDM通过更长的符号週期和CP来消除ISI。 对於CP来说，有可能从前端符号（preceding symbol）就出现失真的情况。然而，如果CP的时间足够长，前端符号并不会溢出到FFT时间；此时只存在由时间重叠而引起符号之间的干扰问题。一旦通道的激励响应（impulse reponse）确定下来，可以用“subcarr
11、ier-by-subcarrier”的方式使振幅和相位產生偏移，以此来消除失真。值得注意的是，所有传输到接收端的资讯都与FFT时间有关。信号在被接收并且被数位化处理之后，接收端将简单的消除CP。此时，每一个子载波内的方波脉衝就是FFT时间内的固定振幅。 这些方波脉衝的最大作用是在频率上将子载波进行间隔并且不產生ICI。在时域的方波脉衝（即RECT函数）经过转换后成為频域的SINC函数（即sin（x）/x），见图6。值得一提的是，它只是对载波间隔（1/f）进行简单的转换，频域的SINC函数以15kHz為间隔并且具有零交越（zero-crossing）的特性，这恰好落在邻近子载波的中心上。因此，就
12、有可能在每一个子载波的中心频率进行採样，同时不用遭受邻近子载波的干扰。 图6. OFDM的字符经过基带芯片的FFT处理后还原出子载波信息。 1、OFDM的缺点 如前所述，OFDM具有一些优异的地方，但它同样存在着缺点。跟单载波系统相比，OFDM具有两个致命的缺点：容易受到频率偏移的影响，频率產生偏移有可能是由本地振盪引起的，也可能是多普勒频移（Doppler shifte）；除此之外，信号峰均功率比（PAPR）过大也是其中的一个缺点。 如果每一个子载波都能够在它的中心频率进行準确的採样，那麼这样的OFDM系统就可以实现零ICI。通过快速傅立叶变换（FFT）将时域採样的OFDM信号转换成频域信号
13、，这是一种有效的实现离散傅立叶变换（DFT）的方法，它形成一系列初始的离散频率，这些频率可以下列公式表达。 最终的频谱具有离散的频率K/NTs,K=0,1,N-1，其中Ts表示时域的採样间隔，N是採样的数量，採样数量是在FTT时间内定义的。因此，通过傅立叶变换来表示的信号频率完全由採样频率1/Ts定义。 这裡以一个特殊的LTE為例，LTE将发射的带宽定义在1.25MHz到20MHz之间。当带宽為1.25MHz的时候，FFT的大小為128。换句话说，在FFT时间（66.67s）内进行了128次的採样，Ts=0.52086s，接收信号可以表示為15kHz、30kHz、45kHz等等分量的函数。这些
14、频率恰好是子载波的中心频率，除非在下变频转换的过程中出现错误。接收信号在RF载波频率进行下变频转换后，然后在基带频率进行FFT。下变频转换通常是採用直接变频的方法进行，即接收信号与本振频率（LO）混合。在理想情况下，载波信号与接收端的LO是相同的，但在实际中这点很难做到。 发射端和接收端LO总是会產生偏移，因此必须採用更加有效的方法使它们同步。為了做到这一点，每一个基站週期性的发送同步信号，这些同步信号除了被用於LO的同步之外，还被用於初始的资料获取和移交等其他任务。即便是这样，其他的干扰源也可能会使信号出现不同步的问题，比如Doppler频移和本振相位杂讯，这些干扰都有可能导致图7中的ICI
15、。出於上述这些原因，必须对信号的频率进行持续的监视。任何偏移都必须在基带处理的过程中被纠正以避免產生额外的ICI。 图7. 频率偏移导致载波间干扰（ICI）。 OFDM的另外一个最大的缺点是PAPR过大。对於一个单独的OFDM符号来说，瞬态发射的RF功率可以发生明显的改变，前面提到，OFDM符号是所有子载波的合併，子载波电压可以在符号的任何位置上加入同位相，这将產生非常高的瞬态峰值功率。高PAPR要求A/D和D/A转换的动态范围增大，更重要的是，它同时减小了RF功率放大器的效率。有时候单载波系统使用固定的资料包调制方式，比如Gaussian最小移相键控（GMSK），或者移相键控技术（PSK）。
16、当信号保持稳定的放大的时候，资料通过改变瞬态频率或者相位进行传输。RFPA并不需要高度的线性，事实上，在驱动PA的时候可以将其信号“箝制”在最大值和最小值之间摆动。输出滤波器可以消除由信号“箝制”引起的谐波失真。如果RFPA可以用这种方法实现，它们将达到70?效率。 通过上述的比较可以看出，OFDM并不是一种完全採用资料包的调制方式。在每一个符号裡，子载波的幅度和相位是不变的，在对OFDM符号进行处理的过程中，有可能存在几个的峰值。RFPA必须具备在没有对信号进行“箝制”的前提下处理电压摆动的问题，因此需要更大的放大器来应对功率的需求，这样带来的结果是效率的降低。RFPA处理OFDM的效率可以小於20?虽然可以进行一些测量来减小电压峰值，OFDM系统中PAPR过大的问题仍然会导致RFPA效率比单载波系统小。 三、正交频分多址技术（OFDMA
